適用于嵌入式系統(tǒng)的AES加密IP核設(shè)計(jì)

Rijndael加密算法于2000年被確定為美國高級加密標(biāo)準(zhǔn)AES(Advanced Encryption Standard)，現(xiàn)在己是工業(yè)界數(shù)據(jù)加密的通用標(biāo)準(zhǔn)之一。Rijndael算法無論從理論分析，還是在實(shí)踐應(yīng)用都表現(xiàn)出很好的抵抗各種攻擊的性能，其安全性是不容置疑的。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷融合，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。近年來嵌入式技術(shù)廣泛用于解決保密信息的傳輸、存儲和管理方面的問題。而這些都需要嵌入式系統(tǒng)集成有可靠的加密模塊?，F(xiàn)有一些應(yīng)用中的加密模塊還不盡如人意。本文針對此應(yīng)用需求設(shè)計(jì)一種適用于嵌入式系統(tǒng)的加密IP核。

１ ＡＥＳ算法

１.１ ＡＥＳ算法描述

密鑰密碼體制分為流密碼和分組密碼兩種。分組密碼是信息與網(wǎng)絡(luò)安全中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、認(rèn)證及密鑰管理的核心體制，具有速度快、易于標(biāo)準(zhǔn)化和便于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。AES采用分組密碼的加密方式，其分組長度分為128 bit、192 bit、256 bit三種，AES密碼在相同的輪函數(shù)作用下，迭代運(yùn)算次數(shù)的不同可達(dá)到不同級別的安全強(qiáng)度。128 bit分組長度的情況下，循環(huán)輪數(shù)指定為11次，目前還沒有可行的算法可以對該模型進(jìn)行有效攻擊[1]。每一輪處理均為作用在中間結(jié)果上的一批運(yùn)算，該中間結(jié)果稱為狀態(tài)，用4×4字節(jié)矩陣表示，其中，數(shù)據(jù)矩陣稱為State、密鑰矩陣稱為Key。AES加密涉及5種運(yùn)算，分別是字節(jié)代換(SubBytes)、行移變換(ShiftRows)、列混合變換(MixColumns)、密鑰加法(AddRoundKey)和密鑰擴(kuò)展(ExpandedKey)。

字節(jié)代換是對State每個字節(jié)進(jìn)行獨(dú)立非線性變換，由字節(jié)在GF(28)域中求其乘法逆并外加一個仿射變換完成[2]。具體實(shí)現(xiàn)中廣泛使用查表方式完成該步變換(實(shí)現(xiàn)該功能單元被稱為Sbox)，以避免復(fù)雜的乘法運(yùn)算。

行移變換是對State進(jìn)行按行移位操作，第0行不移位，第1行循環(huán)左移一位，第2行循環(huán)左移兩位，第3行循環(huán)左移三位。

密鑰加法是將輪密鑰Key和狀態(tài)State中對應(yīng)字節(jié)按位“異或”。

密鑰擴(kuò)展提供輪變換對應(yīng)密鑰加法用到的各輪密鑰。各輪運(yùn)算中使用到的輪密鑰都不相同，密鑰擴(kuò)展運(yùn)算通過控制迭代運(yùn)算次數(shù)計(jì)算出對應(yīng)輪所需輪密鑰[3]。

加密過程由11輪運(yùn)算組成，其中首輪只進(jìn)行密鑰加法，接著進(jìn)行9次輪變換，輪變換由字節(jié)代換、行移變換、列混合變換及密鑰加法4個步驟構(gòu)成，再進(jìn)行末輪變換，在末輪中跳過列混合變換。末輪完成后輸出密文數(shù)據(jù)。AES加密過程如圖1所示。

１.２ 常用ＡＥＳ優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

AES算法的輪操作特點(diǎn)看似更適合于在通用CPU平臺下編程實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際上，此種實(shí)現(xiàn)方式在性能方面存在加密速度慢等先天局限性。AES加密處理單元一般處于數(shù)據(jù)主干道上，其處理數(shù)據(jù)能力直接影響整個應(yīng)用系統(tǒng)的外在性能表現(xiàn)，因此，研究數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的硬件加密實(shí)現(xiàn)方式具有重要的意義。如何實(shí)現(xiàn)高性價比的硬件AES加密一直是加密算法應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

常見的硬件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)有如下幾種方式：(1)串行方式。將輪函數(shù)展平，每輪對應(yīng)一級組合邏輯，11輪迭代過程直接相連，前一級輸出作為次一級的輸入，每一個時鐘周期均可完成一個分組處理；(2)迭代方式。各輪迭代只用一個對應(yīng)輪函數(shù)功能的組合邏輯實(shí)體實(shí)現(xiàn)，每11個時鐘周期完成一個分組處理；(3)流水線方式。用于提高系統(tǒng)工作時鐘周期的流水線技術(shù)，一般僅在局部使用，或是與串行方式并用，可提高工作時鐘頻率，使其滿足極大帶寬的應(yīng)用要求；(4)輪內(nèi)實(shí)現(xiàn)流水線。在輪函數(shù)對應(yīng)實(shí)體中插入寄存器，將一輪運(yùn)算分至多個邏輯段完成，每個時鐘周期仍能完成一個數(shù)據(jù)分組處理。

以上AES算法實(shí)現(xiàn)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但總體來說缺乏靈活性。當(dāng)前應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的AES加密模塊在靈活性、資源占用上還不是很理想。在對常用優(yōu)化方法進(jìn)行研究后，本文針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種AES加密IP核、實(shí)現(xiàn)低資源占用、高性能要求、32位數(shù)據(jù)位寬、且能方便進(jìn)行并行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位寬擴(kuò)展。

２ ＩＰ核設(shè)計(jì)

２.１ 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

IP系統(tǒng)分為時序控制、密鑰處理、數(shù)據(jù)處理三個主要單元，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的工作模式分為閑置模式、密鑰輸入模式、單輪加密模式及連續(xù)加密模式。復(fù)位后系統(tǒng)處于閑置模式，單輪加密模式可以直接切換為連續(xù)加密模式，而連續(xù)加密模式需進(jìn)入到閑置模式至少一個時鐘周期后才可切換到單輪加密工作模式。

密鑰處理單元在系統(tǒng)進(jìn)入密鑰輸入模式后的連續(xù)4個時鐘周期從數(shù)據(jù)輸入端口讀入總共128位密鑰數(shù)據(jù)，在第5個時鐘周期到來時完成第一輪密鑰的計(jì)算，然后系統(tǒng)返回閑置模式。在加密模式中密鑰處理單元按算法需求實(shí)時計(jì)算各輪密鑰，并按32位為一組輸出，與數(shù)據(jù)通道中32位數(shù)據(jù)進(jìn)行“異或”運(yùn)算。在系統(tǒng)模式由加密模式轉(zhuǎn)為閑置模式時，完成密鑰處理單元的歸位動作，使得單元狀態(tài)與密鑰輸入后的狀態(tài)相同，為下一次加密做準(zhǔn)備。

數(shù)據(jù)處理單元在加密模式下對明文數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代運(yùn)算。該單元檢測到當(dāng)前是最末輪數(shù)據(jù)處理時自動跳過列混合運(yùn)算。在系統(tǒng)進(jìn)入加密模式后，數(shù)據(jù)處理單元從輸入端口分4次讀入128位明文數(shù)據(jù)，經(jīng)過接下來的40個時鐘周期數(shù)據(jù)運(yùn)算過程后，得到密文中的第一個32位數(shù)據(jù)段。

時序控制單元負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)關(guān)鍵控制信號的生成，控制信號集中由一個單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生，不僅利于軟件綜合出較高的時鐘頻率，而且輸出的時鐘相位也有較優(yōu)的一致性。

系統(tǒng)正常工作狀態(tài)為先進(jìn)行一次密鑰載入操作，然后觸發(fā)進(jìn)入加密模式進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)加密。在需要時可以在閑置狀態(tài)下再次進(jìn)行密鑰模式對密鑰進(jìn)行更新。

在系統(tǒng)閑置狀態(tài)下，密鑰加載信號被檢測為有效時，系統(tǒng)進(jìn)入密鑰輸入模式，對密鑰數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入、保存及生成第一輪密鑰待用，而忽略密鑰處理單元中是否先前已存在密鑰數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)加載引腳指示系統(tǒng)由閑置模式輸入單輪加密模式，因?yàn)?28位數(shù)據(jù)要在4個時鐘周期完成讀入，加密后數(shù)據(jù)也需要4個時鐘周期時間才能完成輸出。因此，從明文數(shù)據(jù)輸入到密文數(shù)據(jù)輸出共需要等待40個時鐘周期。如果此時檢測到數(shù)據(jù)加載引腳信號有效則在輸出密文的同時進(jìn)行下一輪明文的讀入，系統(tǒng)進(jìn)入到連續(xù)加密模式，否則在接下來的4個時鐘周期將密文輸出后系統(tǒng)由單輪加密模式切換到閑置模式。連續(xù)加密模式適合用于進(jìn)行批量數(shù)據(jù)加密處理，系統(tǒng)每40個時鐘周期會從輸入端口讀入128位明文數(shù)據(jù)，同時在這40個時鐘周期中將提供密文數(shù)據(jù)。在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理時，載入密鑰及載入第一組加密數(shù)據(jù)的幾個時鐘周期均可忽略，系統(tǒng)性能為每40個時鐘周期處理128位數(shù)據(jù)。在讀入明文時，若檢測到載入數(shù)據(jù)信號無效，則退出連續(xù)加密模式，系統(tǒng)回復(fù)到閑置狀態(tài)。

2.２ 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)中資源相對較少，一般數(shù)據(jù)位寬為32位或更少，如果設(shè)計(jì)的AES數(shù)據(jù)通道位寬達(dá)到128位或更多，雖然輪處理時間較短，但數(shù)據(jù)通道在I/O接口段必然利用率不高，而且占用資源難以降低，故本設(shè)計(jì)采用主通道數(shù)據(jù)位寬為32位的結(jié)構(gòu)。由于每輪中列混合變換需要的32位數(shù)據(jù)與前4個時鐘周期的行移變換輸出結(jié)果相關(guān)，因此在行移與列混合單元間使用128位數(shù)據(jù)位寬，每4個時鐘周期進(jìn)行一次State0到State1轉(zhuǎn)換。

從AES加密方法流程圖中可見首輪與末輪均有特殊處理，未經(jīng)過完整的4個輪處理過程，在一些設(shè)計(jì)中將首輪與末輪使用單獨(dú)硬件實(shí)現(xiàn)，這樣可使硬件代價減少2輪的運(yùn)算時間。首輪結(jié)構(gòu)簡單，與標(biāo)準(zhǔn)輪處理過程差異較大，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)只需要在輸入端加上32個“異或”門，能以較小的代價換取一輪的運(yùn)算時間。而末輪與標(biāo)準(zhǔn)處理過程僅差列混合運(yùn)算，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)需要將近多一倍的輪處理硬件，所以在本設(shè)計(jì)中由時序控制單元控制末輪處理時跳過列混合運(yùn)算。

Sbox作為非線性運(yùn)算部分，必需具有良好的差分特性和比較復(fù)雜的代數(shù)結(jié)構(gòu)，如果使用獨(dú)立邏輯電路實(shí)現(xiàn)，面積優(yōu)化空間不大，多采用查表法實(shí)現(xiàn)。AES實(shí)現(xiàn)中的密鑰擴(kuò)展與數(shù)據(jù)處理都需要多個Sbox，通過分析綜合軟件資源消耗結(jié)果報告可知單個Sbox占用資源為208個LCs或是2KB RAM。減少Sbox的使用無疑成為降低資源占用的主要手段。經(jīng)過調(diào)研，一般嵌入式系統(tǒng)對AES加密性能要求在160 Mb/s到480 Mb/s之間，考慮到本設(shè)計(jì)可靈活擴(kuò)展的特性，設(shè)計(jì)中在數(shù)據(jù)處理路徑使用4個Sbox進(jìn)行時分復(fù)用，另采用4個Sbox進(jìn)行密鑰實(shí)時擴(kuò)展。

３ 硬件實(shí)現(xiàn)

本硬件實(shí)現(xiàn)在QuartusII8.0下使用 Verilog HDL語言進(jìn)行描述，在ModelSim6.2環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試與仿真，使用Synplify9協(xié)助完成綜合與關(guān)鍵路徑分析工作。主要分析該IP核綜合到目標(biāo)器件EP1C4F324C6中在80 MHz頻率的性能表現(xiàn)及資源占用情況。同時在更高性能的目標(biāo)器件EP2S15F484C3中也進(jìn)行了綜合及后仿真，以作縱向?qū)Ρ取?/P>

在QuartusII環(huán)境下選定目標(biāo)器件為低成本Cyclone系列EP1C4F324C6設(shè)置速度與面積均衡優(yōu)化模式，目標(biāo)工作頻率為90 MHz，使用邏輯單元實(shí)現(xiàn)Sbox查找表功能。綜合報告顯示實(shí)際綜合頻率為87.82 MHz(period=11.387 ns)，本IP核占用資源2 647(Logic Cells)，其中密鑰擴(kuò)展單元占用1 388(LCs)，時序控制單元占用45(LCs)。文中均以此IP核運(yùn)行于80 MHz時鐘頻率進(jìn)行性能分析。

選定綜合到StratixII系列中EP2S15F484C3器件，綜合頻率FMAX達(dá)到169.12 MHz時占用資源Logic utilization 9%，其中Combinational ALUTS 834/12 480(7%)，Dedicated logic registers 598/12 480(5%)。將此綜合結(jié)果在ModelSim中用133 MHz時鐘驅(qū)動進(jìn)行后仿真。

４ 數(shù)據(jù)分析

仿真結(jié)果見表1，No.1采用常用測試數(shù)據(jù)，密鑰為：2b7e1516_28aed2a6_abf71588_09cf4f3c，輸入明文為3243f6a8_885a308d_313198a2_e0370734時，得到輸出密文3925841d_02dc09fb_dc118597_196a0b32，結(jié)果正確無誤。

該IP核工作在80 MHz時鐘頻率下時，數(shù)據(jù)吞吐量為128 bit×80 MHz/40 clk=256 Mb/s。速度/資源比(Mb/s)/Slice=256/(2647/2)=0.193。當(dāng)并行連接IP核進(jìn)行位寬擴(kuò)展時，密鑰擴(kuò)展單元與時序控制單元可共用，進(jìn)一步提高資源利用率。當(dāng)擴(kuò)展為128位數(shù)據(jù)位寬時，數(shù)據(jù)吞吐量成倍增加，而速度/資源比也有所提高，幾乎能達(dá)到 (Mb/s)/Slice=1024/((2647×4-(1388+45)×3)/2)=0.326。

表2中數(shù)據(jù)顯示本設(shè)計(jì)在32位數(shù)據(jù)位寬的同類設(shè)計(jì)中有一定的優(yōu)勢，從適用于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的角度考慮，本設(shè)計(jì)更具優(yōu)越性。128位數(shù)據(jù)位寬的設(shè)計(jì)[6]中原文計(jì)算速度/資源比值時未考慮所占用的RAMs資源，而且文中設(shè)計(jì)為25 MHz時鐘頻率，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時卻將工作頻率直接換算為54 MHz，而未對其設(shè)計(jì)是否可正常工作于此頻率進(jìn)行論證。其設(shè)計(jì)主要考慮建立流水作業(yè)以提高性能。參考文獻(xiàn)[6]中采用6級流水線技術(shù)及復(fù)合域方法優(yōu)化Sbox，達(dá)到了較優(yōu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，但其固定的128位數(shù)據(jù)位寬在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用有一定的局限性。

在Synplify9下選定目標(biāo)器件EP2S15F484C3，優(yōu)先考慮提高速度，綜合結(jié)果報告最高時鐘頻率超過240 MHz，說明本IP核設(shè)計(jì)合理，較好地利用了目標(biāo)器件資源。如果將本IP核應(yīng)用在更高性能目標(biāo)器件上或是設(shè)計(jì)為ASIC將會有更大的性能提升。

本文設(shè)計(jì)的IP核在低端FPGA能以較低的資源消耗提供I/O性能,AES實(shí)現(xiàn)達(dá)到256 Mb/s，并提供適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中32位數(shù)據(jù)界面。在輸入、輸出端加FIFO數(shù)據(jù)緩存器可減少主器件被中斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)，提供標(biāo)準(zhǔn)通信界面、簡化主器件的操作時序。該IP核具有一定的靈活性，可將數(shù)據(jù)位寬擴(kuò)展為64位或128位等，滿足多種數(shù)據(jù)位寬應(yīng)用的要求，是一種低成本高性能的AES加密實(shí)現(xiàn)方法。